Kiến trúc Station SCADA trong hệ thống Metro hiện đại và khả năng tích hợp theo mô hình mở

1. Giới thiệu

Trong bài viết “Metro hiện đại: Góc nhìn từ hệ thống điều khiển và SCADA” đăng trên Tạp chí Tự động hóa Ngày nay, chúng tôi đã trình bày tổng quan kiến trúc điều khiển và SCADA của Metro ở cấp độ tuyến, nhấn mạnh vai trò của SCADA trong việc kết nối trung tâm điều hành (OCC) với các nhà ga và depot. Tuy nhiên, để mô tả đầy đủ cách Metro vận hành trong thực tế, cần đi sâu vào cấu trúc SCADA tại từng nhà ga (Station SCADA) - nơi tập trung phần lớn các hệ thống kỹ thuật, an toàn và thông tin phục vụ khai thác.

Trong Metro hiện đại, SCADA không còn giới hạn ở giám sát điện hay một nhóm thiết bị phụ trợ riêng lẻ. Thay vào đó, SCADA đóng vai trò nền tảng tích hợp dữ liệu đa hệ, bảo đảm phối hợp vận hành đồng bộ giữa năng lượng, cơ điện, an toàn, thông tin hành khách và các phân hệ đường sắt liên quan.

Bài viết này tập trung phân tích:

• Kiến trúc Station SCADA
• Cấu trúc dữ liệu cần thu thập và điều khiển
• Phân loại tín hiệu theo nhóm hệ thống kỹ thuật tích hợp và hệ thống kỹ thuật liên thông
• Mô hình triển khai theo kiến trúc mở
• Một số dự án tiêu biểu trên thế giới

Qua đó, bài viết làm rõ các yêu cầu kỹ thuật đối với nền tảng SCADA trong bối cảnh Metro hiện đại, hướng tới tích hợp, mở rộng và chuẩn hóa dữ liệu.

2. Tổng quan kiến trúc điều khiển và SCADA hệ thống Metro

Một hệ Metro hiện đại thường tổ chức theo kiến trúc phân tầng gồm Central SCADA (OCC/Control Center), Station SCADA tại các nhà ga và Depot SCADA tại depot. Các hệ SCADA này kết nối xuống các hệ thống điều khiển chuyên ngành tại hiện trường (PLC/FEP/RTU/controller của từng phân hệ) để thu thập dữ liệu, giám sát và hỗ trợ điều khiển theo phân quyền.

Ở cấp nhà ga, Station SCADA đảm nhiệm vai trò giám sát - cảnh báo - ghi lịch sử - tổng hợp dữ liệu và chuyển tiếp thông tin lên OCC. Tuy nhiên, chi tiết kiến trúc và thành phần của Station SCADA sẽ được trình bày riêng ở phần tiếp theo.

Về hạ tầng, hệ thống thường triển khai theo mô hình client - server với cụm máy chủ dự phòng (redundancy servers) và các máy trạm vận hành (workstations). Mạng truyền dẫn thường thiết kế theo mạng vòng dự phòng kép (double ring/mạng vòng đôi) nhằm tăng độ sẵn sàng khi có sự cố tuyến/cáp. Ở lớp tích hợp dữ liệu giữa Central - Station - Depot, OPC UA nên được xem là chuẩn giao tiếp mặc định trong thiết kế SCADA Metro hiện đại, vì cung cấp mô hình dữ liệu chuẩn hóa và khả năng tích hợp - mở rộng vượt trội so với cách tiếp cận truyền thống (hình 1).

Hình 1. Kiến trúc Central/Station/Depot, client - server dự phòng, mạng vòng dự phòng kép và kết nối OPC UA

3. Cấu trúc hệ Station SCADA

Ở cấp độ nhà ga, Station SCADA là hạt nhân tích hợp kỹ thuật, nơi hội tụ toàn bộ dữ liệu từ các hệ thống cơ điện và các hệ thống kỹ thuật liên thông phục vụ vận hành. Hai sơ đồ minh họa cho thấy cấu trúc này có thể được phân thành hai nhóm chính: nhóm hệ kỹ thuật tích hợp - Integrated Technical Systems (hình 2) và nhóm hệ kỹ thuật liên thông - Interconnected Systems (hình 3).

Về hạ tầng, hệ được triển khai theo mô hình client - server dự phòng, bao gồm cặp máy chủ Station SCADA redundancy servers và các station workstations vận hành. Kiến trúc này thường sử dụng mạng nội bộ dạng vòng dự phòng kép (dual ring) nhằm đảm bảo tính sẵn sàng cao, cho phép duy trì hoạt động ngay cả khi một nhánh mạng hoặc một máy chủ gặp sự cố. Station SCADA kết nối lên Central SCADA thông qua mạng truyền dẫn dọc tuyến, đồng thời giao tiếp với các hệ thống kỹ thuật trong nhà ga thông qua các giao thức chuẩn hóa.

Về mặt chức năng, Station SCADA không thay thế bộ điều khiển chuyên ngành (PLC, controller PSD, tủ FAS…). Các hệ chuyên ngành vẫn thực hiện điều khiển cục bộ theo yêu cầu an toàn và thời gian thực. Station SCADA đảm nhận vai trò giám sát, tổng hợp dữ liệu, quản lý cảnh báo, ghi lịch sử và tích hợp liên hệ thống.

Hình 2. Cấu trúc các hệ kỹ thuật tích hợp trong Station SCADA

Cấu trúc các hệ kỹ thuật liên thông với Station SCADA

Từ hai sơ đồ, có thể phân nhóm các hệ kết nối vào Station SCADA như sau.

Bảng 1. Nhóm hệ kỹ thuật tích hợp tại Station SCADA

Nhóm này bao gồm các hệ cơ điện và an toàn cốt lõi của nhà ga. Station SCADA thu thập trạng thái, cảnh báo, giá trị đo lường và cung cấp giao diện giám sát tập trung.

Bảng 2. Nhóm hệ kỹ thuật liên thông

Nhóm hệ liên thông chủ yếu trao đổi dữ liệu ở mức trạng thái, sự kiện và cảnh báo. Việc chuẩn hóa giao tiếp - đặc biệt khi áp dụng OPC UA - cho phép mô hình hóa dữ liệu thống nhất, tăng khả năng mở rộng và tích hợp đa nhà cung cấp.

Như vậy, Station SCADA trong Metro hiện đại là một nền tảng tích hợp phân tán, đảm bảo tính sẵn sàng cao, phân lớp rõ ràng giữa điều khiển cục bộ và giám sát tập trung, đồng thời tạo cơ sở dữ liệu chuẩn hóa phục vụ vận hành, phân tích và mở rộng hệ thống trong tương lai.

4. Cấu trúc dữ liệu trong Station SCADA

Sau khi xác định cấu trúc hệ thống Station SCADA ở phần trước, nội dung này đi sâu vào cấu trúc dữ liệu - yếu tố quyết định khả năng vận hành, mở rộng và tích hợp của hệ thống.

Tại mỗi nhà ga, Station SCADA đóng vai trò tập trung và chuẩn hóa dữ liệu từ nhiều phân hệ khác nhau. Về bản chất, dữ liệu có thể được chia thành hai nhóm lớn:

• Nhóm hệ kỹ thuật tích hợp: các hệ cơ điện - năng lượng có khả năng điều khiển trực tiếp (bảng 3).
• Nhóm hệ kỹ thuật liên thông: các hệ đường sắt, thông tin và dịch vụ hành khách chủ yếu ở mức giám sát, tổng hợp trạng thái và hỗ trợ vận hành (bảng 4).

Việc phân loại rõ hai nhóm này giúp:

• Chuẩn hóa mô hình dữ liệu
• Phân tách lớp điều khiển và lớp giám sát
• Xác định phạm vi điều khiển của SCADA
• Hỗ trợ tích hợp theo kiến trúc mở (ví dụ OPC UA)

Các bảng dưới đây trình bày cấu trúc tín hiệu điển hình tại một Station SCADA.

Bảng 3. Bảng tín hiệu - hệ kỹ thuật tích hợp

Bảng 4. Bảng tín hiệu - hệ kỹ thuật liên thông

5. Yêu cầu nền tảng SCADA và ví dụ dự án triển khai theo kiến trúc mở

Để đáp ứng đặc thù vận hành Metro (liên tục, an toàn, đa phân hệ và nhiều điểm giám sát), nền tảng SCADA thường cần thỏa các yêu cầu cốt lõi sau:

• Kiến trúc phân tán theo lớp trung tâm - nhà ga - depot, cho phép vận hành độc lập tại hiện trường và đồng bộ dữ liệu về OCC.
• Dự phòng toàn diện (Redundancy) cho máy chủ, mạng truyền dẫn và cơ sở dữ liệu; hỗ trợ dự phòng nóng và các kịch bản khôi phục thảm họa (Disaster Recovery).
• Mạng truyền thông độ sẵn sàng cao: thường triển khai mạng vòng kép (dual ring)/vòng dự phòng, hỗ trợ phân đoạn hợp lý để cách ly sự cố.
• Chuẩn hóa giao tiếp và mô hình dữ liệu: OPC UA được khuyến cáo sử dụng như chuẩn giao tiếp nhằm chuẩn hóa mô hình dữ liệu, tăng khả năng mở rộng và tích hợp đa hệ.
• Hỗ trợ đa giao thức công nghiệp theo điều kiện dự án (OPC UA, IEC 60870-5-104, Modbus TCP/IP, SNMP, S7, BACnet,…) để kết nối nhiều thiết bị và hệ chuyên ngành.
• Khả năng mở rộng I/O và điểm dữ liệu từ quy mô nhà ga đến toàn tuyến (từ vài chục nghìn đến hàng trăm nghìn điểm, thậm chí lớn hơn tùy dự án).
• Tích hợp đa hệ thống (kỹ thuật - an toàn - thông tin hành khách - đường sắt) và chuẩn hóa schema tag phục vụ vận hành, phân tích và truy vết sự kiện nhất quán trên toàn mạng.

Trong thực tế triển khai, nhiều dự án Metro và đường sắt đã lựa chọn WinCC Open Architecture (WinCC OA) như một nền tảng SCADA theo hướng kiến trúc mở: hỗ trợ thiết kế phân tán, mở rộng theo quy mô tuyến, tích hợp đa giao thức và đặc biệt là dự phòng đa lớp (server - network - database). Theo cách tiếp cận này, SCADA không chỉ là lớp HMI/giám sát, mà là nền tảng tích hợp giúp tổ chức cảnh báo - sự kiện, lưu trữ lịch sử và cung cấp giao diện vận hành thống nhất từ OCC xuống từng nhà ga/depot. Trong bối cảnh Metro hiện đại hướng tới chuẩn hóa và liên thông, OPC UA thường được sử dụng như chuẩn giao tiếp chủ đạo để tăng tính mở rộng và khả năng tích hợp đa hệ.

Bảng 5 trình bày các dự án tiêu biểu áp dụng kiến trúc mở, làm rõ quy mô và những đặc trưng kỹ thuật nổi bật trên nền tảng WinCC OA.

WinCC Open Architecture là nền tảng SCADA mở được sử dụng rộng rãi trong các dự án đường sắt và Metro.

Bảng 5. Bảng các dự án tiêu biểu (triển khai theo kiến trúc mở/WinCC OA)

6. Nhận xét xu hướng triển khai và kết luận

Tổng hợp từ các dự án Metro quốc tế cho thấy, SCADA trong Metro ngày càng không còn tách biệt theo từng phân hệ, mà dịch chuyển rõ rệt sang mô hình tích hợp đa hệ tại nhà ga và liên thông toàn tuyến. Xu hướng triển khai nổi bật là ưu tiên kiến trúc mở và chuẩn hóa dữ liệu để tăng khả năng mở rộng, tích hợp và vận hành dài hạn; trong đó OPC UA thường được lựa chọn như chuẩn giao tiếp nhằm chuẩn hóa mô hình dữ liệu và hỗ trợ kết nối đa hệ theo hướng IT/OT.

Song song đó, yêu cầu nền tảng ngày càng cao về tính sẵn sàng và độ tin cậy, thể hiện qua dự phòng nhiều lớp (máy chủ - mạng - cơ sở dữ liệu), dự phòng địa lý, và các kịch bản khôi phục thảm họa (Disaster Recovery). Ở cấp vận hành, các chức năng nền như đồng bộ thời gian, cùng cách tiếp cận kỹ nghệ hướng đối tượng (object-oriented engineering) được đẩy mạnh để hỗ trợ chuẩn hóa cấu trúc tag, tái sử dụng cấu hình, giảm công sức triển khai và bảo trì.

Từ góc nhìn kiến trúc, Station SCADA là thành phần trung tâm trong Metro hiện đại, vừa là lớp tích hợp hệ kỹ thuật, vừa là điểm liên thông thông tin vận hành giữa các phân hệ trong nhà ga và OCC, đồng thời là nơi chuẩn hóa dữ liệu vận hành phục vụ giám sát, phân tích và truy vết sự kiện trên toàn mạng. Vì vậy, một nền tảng SCADA phù hợp cho Metro cần đáp ứng các tiêu chí cốt lõi: kiến trúc phân tán, chuẩn hóa giao thức/mô hình dữ liệu, khả năng mở rộng quy mô lớn, và tích hợp đa ngành.

Tóm lại, SCADA trong Metro hiện đại không chỉ là hệ giám sát, mà là nền tảng tích hợp và điều phối cho hạ tầng giao thông đô thị thông minh.

TS. Trương Đình Châu

Email: chau.truong@hcmut.edu.vn

TS. Trương Đình Châu hiện đang công tác tại trường Đại học Bách khoa TP.HCM, với hơn 25 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực hệ thống điều khiển công nghiệp và SCADA. Ông là chuyên gia hàng đầu về tự động hóa và điều khiển tại Việt Nam, tham gia tích cực vào nghiên cứu, phát triển các giải pháp tiên tiến. Ngoài ra, TS. Trương Đình Châu còn tư vấn, thiết kế và lập trình cho nhiều dự án trọng điểm trong nước, góp phần quan trọng vào sự phát triển của ngành công nghiệp tự động hóa.